JP5951901B2

JP5951901B2 - 順次ブロック構成による分子オービタル特性解析方法及びこれを利用したシステム

Info

Publication number: JP5951901B2
Application number: JP2015534412A
Authority: JP
Inventors: イ、スン−ヨプ; チョ、ヘ−ソン
Original assignee: エルジー・ケム・リミテッド
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2034-07-09
Also published as: KR101472417B1; JP2015534187A; US10176302B2; US20160162663A1; WO2015005668A1

Description

本発明は、分子オービタル特性の解析方法及びこれを利用したシステムに関し、より詳細には、定量的に分子オービタル（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）特性を解析できる新しい分析方法を利用した分子オービタル特性の解析方法及びこれを利用したシステムに関する。

分子オービタル（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｏｒｂｉｔａｌ）は、分子内で電子が存在できる確率を表すものであって、電子の挙動を表す重要な物性であるため、分子オービタル分布は、物質の電気化学的特性を決定する重要な要素のうちの１つである。分子オービタルは、量子力学方法による計算によってのみ把握されることができる。

分子オービタルが全体構造内で分布できるパターンは、非常に多様かつ複雑である。例えば、分子オービタルは、（１）全体構造の中心にのみ分布することができ、（２）分子の中心から遠く離れた外郭にのみ分布することができ、（３）分子の中心近傍と外郭でのみ分布することができ、（４）全体分子にわたって分布しているが、細部領域で分布する傾向が非常に異なることができる。このように、非常に多い場合の分布形態を表すことができる分子オービタルが全体構造で分布する傾向を把握することは、電子挙動予測に必須であるため、これを正確かつ直観的に評価できる定量的な方法が必要である。

このような分子オービタル情報を評価し解析する方法は、今までは図形を生成して視覚的に比較する定性的な方法しかないため、定量的な評価が可能な他の電気化学的物性に比べて物質開発や物性評価のような関連分野で体系的によく利用できていない。

しかし、電子の挙動を表す分子オービタルが与える情報の重要性に鑑みれば、分子オービタルを他の電気化学的物性と同様に、定量的な評価によって体系的に利用できるならば、物質開発や物性評価のような関連分野で効用性が極めて大きいであろうから、分子オービタル情報を定量的に明確に評価できる方法が必要な実情である。

上記のような従来技術の問題点を解決するために、本発明は、分子オービタル特性を定量的に解析できる方法を開発して、分子オービタル特性を定量的に簡単かつ正確に評価することにより、新規物質の開発に利用することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、ａ）分子オービタル特性を解析する対象分子オービタルを選択した後、量子力学計算法を利用して前記分子オービタル分布を計算するステップと、ｂ）前記分子の分子構造内の分子の中心から放射方向（ｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）にＮ個のブロックを作るステップと、ｃ）前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））を計算するステップと、ｄ）前記分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））の大きさを基準として前記ブロックを順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得るステップとを含む順次ブロック構成による分子オービタル特性の解析方法を含む分子オービタル特性の解析方法を提供する。

また、本発明は、ａ）分子オービタル特性を解析する対象分子オービタルを選択した後、量子力学計算法を利用して前記分子オービタル分布を計算し、前記分子の分子構造内の分子の中心から放射方向にＮ個の順次ブロックで表す第１のブロック化モジュールと、ｂ）前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））を計算してデータを入力するデータ入力モジュールと、ｃ）前記分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））の大きさを基準として前記ブロックを順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得る第２のブロック化モジュールとを備える分子オービタル特性分析システムを提供する。

本発明の分子オービタル特性解析方法は、全体分子構造をブロックの組み合わせで表し、それぞれのブロックの分子オービタル割合を計算して再配列された順次ブロック情報を提供することにより、分子オービタル特性を定量的に簡単かつ正確に評価することができ、これにより、分子オービタル特性類似性を比較することができ、ＯＬＥＤ（ｏｒｇａｎｉｃｌｉｇｈｔ−ｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ）または太陽電池などのような分野の新規物質開発に利用されることができる。

本発明の実施例で使用したＯＬＥＤの構成物質として使用されるＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’−Ｄｉ［（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−Ｎ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ］−１、１’−（ｂｉｐｈｅｎｙｌ）−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ）分子の全体分子構造を、全体ブロック個数を５個に指定して分子の中心からの距離を基準として５個のブロックで構成したものである。本発明に係るＡＣ２Ｂ（ＡｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＢｕｉｌｄｉｎｇＢｌｏｃｋ）法による計算過程を示したＦｌｏｗｃｈａｒｔである。ＡＣＣＥＬＲＹＳ社で開発したＭＡＴＥＲＩＡＬＳＴＵＤＩＯパッケージのＶＩＳＵＡＬＩＺＥＲを使用して実施例１及び実施例２のＮＰＢ分子の分子オービタル分布を各々視覚化したものである。図３ａ及び図４ａに示された全体分子構造を分子の中心を基準として５個の順次ブロックで構成した後、これをＢＸ（ｋ）順に再配列した結果から得た、再配列されたブロックスペクトルである。ＡＣＣＥＬＲＹＳ社で開発したＭＡＴＥＲＩＡＬＳＴＵＤＩＯパッケージのＶＩＳＵＡＬＩＺＥＲを使用して実施例１及び実施例２のＮＰＢ分子の分子オービタル分布を各々視覚化したものである。図３ａ及び図４ａに示された全体分子構造を分子の中心を基準として５個の順次ブロックで構成した後、これをＢＸ（ｋ）順に再配列した結果から得た、再配列されたブロックスペクトルである。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明者は、分子オービタル特性を解析するために、新しい解析方法であるＡＣ２Ｂ（ＡｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＢｕｉｌｄｉｎｇＢｌｏｃｋ）法を開発するようになった。

本発明においてＡＣ２Ｂ（ＡｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＢｕｉｌｄｉｎｇＢｌｏｃｋ）法は、分子オービタル特性の解析方法であって、ａ）分子オービタル特性を解析する対象分子オービタルを選択した後、量子力学計算法を利用して前記分子オービタル分布を計算するステップと、ｂ）前記分子の分子構造内の分子の中心から放射方向（ｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）にＮ個のブロックを作るステップと、ｃ）前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））を計算するステップと、ｄ）前記分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））の大きさを基準として前記ブロックを順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得るステップとを含むことを特徴とする。

本発明においてＡＣ２Ｂ法は、分子オービタル特性解析のために、全体分子構造の各細部領域をブロック化した後、配列して全体分子構造をブロックの組み合わせで表したことを意味する。

本発明は、ａ）分子オービタル特性を解析する対象分子オービタルを選択した後、量子力学計算法を利用して前記分子オービタル分布を計算するステップと、ｂ）前記分子の分子構造内の分子の中心から放射方向（ｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）にＮ個のブロックを作るステップとを含むことを特徴とする。

分子状態での分子オービタルは、分子内での電子の波動的（ｗａｖｅ−ｌｉｋｅ）挙動を表す数学的な摸写であると定義することができる。分子オービタルが存在する領域は、量子力学計算によって求めることができる。分子オービタルが存在する領域を求めるための量子力学計算は、量子力学を利用した方法であれば、格別の制限はないが、好ましくは、物質の分子構造で計算される各地点でのオービタル波動関数（ｏｒｂｉｔａｌｗａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ、ψ）の自乗の電子密度（ψ²）の分布を介して計算するものを使用することができ、単一地点エネルギー（ｓｉｎｇｌｅｐｏｉｎｔｅｎｅｒｇｙ）計算または幾何学的最適化（ｇｅｏｍｅｔｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）計算を利用することもできる。具体的に、本発明の発明者らは、ＤＦＴ（ＤｅｎｓｉｔｙＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＴｈｅｏｒｙ）に基づいたＡＣＣＥＬＲＹＳ社で開発したＭＡＴＥＲＩＡＬＳＴＵＤＩＯパッケージのＤＭｏｌ３を利用して分子オービタルを計算し、分子オービタル図形を生成するために、ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＴＵＤＩＯパッケージのＶＩＳＵＡＬＩＺＥＲを利用した。

本発明において、分子オービタル特性を解析する前記対象分子の全体分子構造は、指定された分子全体ブロック個数（Ｎ）によって分子の中心を基準として生成されたＮ個の順次ブロックの組み合わせで構成される。

このために、分子の中心（ｒ＝０．０）を開始点として放射方向（ｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に分子全体を含む大きさが最も大きいＲＤＭ（ｒａｄｉａｌｌｙｄｉｓｃｒｅｔｅｍｅｓｈ）を計算し、このときの大きさをｒ＝１．０に指定する。前記ＲＤＭは、分子の中心から出発して放射方向（ｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に分子構造内の全ての構成原子（ａｔｏｍ）を含むメッシュ（ｍｅｓｈ）を表す。前記ＲＤＭによる分子構造計算において、分子内の中心（ｘ_c、ｙ_c、ｚ_c）を求める方法は、下記数学式１−１〜１−３のとおりである。

前記数学式１−１〜１−３においてＮ^Coordは、分子を構成する原子座標の総個数を表す。

ブロックの総個数Ｎ値は、格別の制限はないが、好ましくは、３〜１００の範囲を有する。

上記のように、ＲＤＭによる分子構造計算により、前記対象分子の全体分子構造は、分子の中心からの距離を基準としてブロック化され得る。

これを、図１を参照してより詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例であって、全体ブロック個数を５個に指定して、分子の中心からの距離を基準としてＮＰＢ分子の分子オービタル分布を５個のブロック（Ｎ＝５）で構成したものである。分子全体を含むＲＤＭを計算した後、ＲＤＭをＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３、ＢＬ４、ＢＬ５に均等に分割して５個のブロックを生成し、図１においてＢＬ１は、分子の中心に最も近いブロックであり、ＢＬ５は、最も外郭にあるブロックである。各ブロックの大きさは、格別の制限はないが、好ましくは、大きさが同一でなければならない。このように、全体分子構造は、ＢＬ１−ＢＬ２−ＢＬ３−ＢＬ４−ＢＬ５の順序で構成された順次ブロックの配列として表すことができる。

すなわち、前記ａ）ステップにおいて、対象分子の分子オービタル分布は、順次ブロック（ＡＣ２Ｂ、ＡｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＢｕｉｌｄｉｎｇＢｌｏｃｋ）で構成されるものである。

本発明は、ｃ）前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））を計算するステップを含むことを特徴とする。

前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））は、全体分子オービタルのうち、ｋ番目ブロックに関連している分子オービタルが占めている量を意味する。前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））は、前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル（ＢＭＯ（ｋ））を計算し、これにより、全体分子オービタル合計であるＳＵＭを計算した後、全体分子オービタル合計に対するそれぞれのブロックに関連した分子オービタルの割合（ＢＸ（ｋ））を計算することにより求めることができる。

本発明は、ｄ）前記分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））の大きさを基準として前記ブロックを順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得るステップを含むことを特徴とする。

前記ｄ）ステップは、前記ａ）ステップで得た順次ブロック（ＡＣ２Ｂ、ＡｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＢｕｉｌｄｉｎｇＢｌｏｃｋ）を、ＢＸ（ｋ）を基準として順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得るステップである。本発明において「再配列されたブロックスペクトル」は、前記ａ）ステップで得た順次ブロックの組み合わせ（ＡＣ２Ｂ、ＡｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅＢｕｉｌｄｉｎｇＢｌｏｃｋ）を、ＢＸ（ｋ）を基準として順次再配列して得た順次ブロックの組み合わせを意味する。

もし、前記ｃ）ステップで計算された分子オービタル割合の順序がＢＸ（５）＞ＢＸ（４）＞ＢＸ（３）＞ＢＸ（２）＞ＢＸ（１）であれば、前記ａ）ステップで得た順次ブロックの組み合わせは、ＢＬ５−ＢＬ４−ＢＬ３−ＢＬ２−ＢＬ１に再配列される。再配列されたブロックスペクトルを介して分子の中心から最も遠いブロックであるＢＬ５に最も多い量の分子オービタルが分布し、分子の中心に最も近いブロックであるＢＬ１に最も少ない量の分子オービタルが分布するということが分かる。

したがって、本発明によれば、再配列されたブロックスペクトルを介して、どのブロックに最も多い分子オービタルが分布し、どのブロックに最も少ない分子オービタルが分布するかを直観的に正確に評価することができる。

また、本発明は、前記分子オービタル特性の解析方法を利用した分子オービタル特性分析システムを提供する。

前記分子オービタル特性分析システムは、ａ）分子オービタル特性を解析する対象分子オービタルを選択した後、量子力学計算法を利用して前記分子オービタル分布を計算し、前記分子の分子構造内の分子の中心から放射方向にＮ個の順次ブロックで表す第１のブロック化モジュールと、ｂ）前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））を計算してデータを入力するデータ入力モジュールと、ｃ）前記分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））の大きさを基準として前記ブロックを順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得る第２のブロック化モジュールとを備えることを特徴とする。

前記第１のブロック化モジュールにおいて、量子力学計算法は、物質の分子構造で計算される各地点でのオービタル波動関数（ｏｒｂｉｔａｌｗａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ、ψ）の自乗の電子密度（ψ²）の分布を介して計算するものを使用することができ、単一地点エネルギー（ｓｉｎｇｌｅｐｏｉｎｔｅｎｅｒｇｙ）計算または幾何学的最適化（ｇｅｏｍｅｔｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）計算を利用することもできる。

前記第１のブロック化モジュールにおいて、全体分子構造のブロック化方法として、ＲＤＭ計算方法を利用することができる。

また、前記データ入力モジュールにおいて、入力されるそれぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））は、前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル（ＢＭＯ（ｋ））を計算し、これにより、全体分子オービタル合計であるＳＵＭを計算した後、全体分子オービタル合計に対するそれぞれのブロックに関連した分子オービタルの割合（ＢＸ（ｋ））を計算することにより求めることができる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、下記に開示される本発明の実施形態はあくまで例示であり、本発明の範囲は、これらの実施形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に表示され、さらに、特許請求の範囲の記録と均等な意味及び範囲内での全ての変更を含有している。

実施例
図３ａ及び図４ａは、ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＴＵＤＩＯパッケージのプログラムのＶＩＳＵＡＬＩＺＥＲを使用してＮＰＢ（Ｎ，Ｎ’−Ｄｉ［（１−ｎａｐｈｔｈｙｌ）−Ｎ，Ｎ’−ｄｉｐｈｅｎｙｌ］−１、１’−（ｂｉｐｈｅｎｙｌ）−４，４’−ｄｉａｍｉｎｅ）の分子オービタル分布を視覚化したものである。分子オービタル分布されている領域（黄色／緑色で表示された領域）にのみ電子が位置する確率があるもので、図３ａの場合には、全般的に分子オービタルが分子全領域にわたって均等に分布していることが分かり、図４ａの場合には、分子オービタルが分子の中心から遠く離れた外郭に主に分布することが分かる。

前記のような定性的な評価に対して、次のように、本発明によりＡＣ２Ｂ法を利用してＮＰＢ分子の分子オービタル分布を順次ブロックで構成することにより、ＮＰＢ分子の分子オービタル特性を定量的に解析した。

＜実施例１＞
分子オービタルが全体分子にわたって分布しているＮＰＢ分子に対して本発明により分子オービタル特性解析を行った。

図３ａに示された全体分子構造を、分子の中心を基準として５個の順次ブロック（ＡＣ２Ｂ）で構成し、これをＢＸ（ｋ）順に再配列した結果、図３ｂのように、ＢＬ３−ＢＬ２−ＢＬ４−ＢＬ１−ＢＬ５順に再配列されたブロックスペクトルを得た。再配列されたブロックの下に表示した値は、各ブロックでのＢＸ（ｋ）値である。前記再配列されたブロックスペクトルでＢＬ３に最も多い量の分子オービタルが存在し、その次はＢＬ２とＢＬ４の順序に分子オービタルが存在することに対し、分子の中心に最も近いＢＬ１（最も濃い色）と最も遠いＢＬ５（最も薄い色）にある分子オービタルの量は相対的に少なかった。したがって、全体分子構造にわたって分子オービタルが分布するが、中央のブロック（ＢＬ３、ＢＬ２、ＢＬ４）にさらに多い分子オービタルが分布することが分かる。

＜実施例２＞
分子オービタルが分子の中心から遠く離れた外郭に主に分布するＮＰＢ分子に対して、本発明により分子オービタル特性解析を行った。

図４ａに示された全体分子構造を、分子の中心を基準として５個の順次ブロックで構成し、これをＢＸ（ｋ）順に再配列した結果、図４ｂのように、ＢＬ４−ＢＬ５−ＢＬ３−ＢＬ２−ＢＬ１順に再配列されたブロックスペクトルを得た。

前記再配列されたブロックスペクトルで分子の中心から遠いブロックである薄い色合いのＢＬ４とＢＬ５に分子オービタルが集中的に分布することに対し、分子の中心に近い濃い色合いのＢＬ２とＢＬ１には分子オービタルが相対的に分布しないということが分かる。

このように、本発明によれば、全体分子構造のブロック化を介して得られた再配列されたブロックスペクトルないし順次ブロック構成を介して分子オービタル特性を定量的に簡単かつ正確に評価できるということを確認した。

Claims

ａ）分子オービタル特性を解析する対象分子オービタルを選択した後、量子力学計算法を利用して前記分子オービタル分布を計算するステップと、
ｂ）前記分子の分子構造内の分子の中心から放射方向（ｒａｄｉａｌｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）にＮ個のブロックを作るステップと、
ｃ）前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））を計算するステップと、
ｄ）前記ブロックを前記分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））の大きさが大きいものから小さいものの順に、または小さいものから大きいものの順に順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得るステップと、
を含む順次ブロック構成による分子オービタル特性の解析方法。
前記ａ）ステップの量子力学計算法は、物質の分子構造で計算される各地点でのオービタル波動関数（ｏｒｂｉｔａｌｗａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ、ψ）の自乗の電子密度（ψ²）の分布を介して計算することを特徴とする請求項１に記載の順次ブロック構成による分子オービタル特性の解析方法。
前記ａ）ステップの量子力学計算法は、単一地点エネルギー（ｓｉｎｇｌｅｐｏｉｎｔｅｎｅｒｇｙ）計算または幾何学的最適化（ｇｅｏｍｅｔｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）計算を利用することを特徴とする請求項１に記載の順次ブロック構成による分子オービタル特性の解析方法。
前記ａ）ステップは、ＲＤＭ計算方法を利用することを特徴とする請求項１に記載の順次ブロック構成による分子オービタル特性の解析方法。
前記ｃ）ステップのそれぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））は、前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル（ＢＭＯ（ｋ））を計算し、これにより、全体分子オービタル合計であるＳＵＭを計算した後、全体分子オービタル合計に対するそれぞれのブロックに関連した分子オービタルの割合（ＢＸ（ｋ））を計算することにより求めることを特徴とする請求項１に記載の順次ブロック構成による分子オービタル特性の解析方法。
ａ）分子オービタル特性を解析する対象分子オービタルを選択した後、量子力学計算法を利用して前記分子オービタル分布を計算し、前記分子の分子構造内の分子の中心から放射方向にＮ個の順次ブロックで表す第１のブロック化モジュールと、
ｂ）前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））を計算してデータを入力するデータ入力モジュールと、
ｃ）前記ブロックを前記分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））の大きさが大きいものから小さいものの順に、または小さいものから大きいものの順に順次再配列し、再配列されたブロックスペクトルを得る第２のブロック化モジュールと、
を備える分子オービタル特性分析システム。
前記第１のブロック化モジュールの量子力学計算法は、物質の分子構造で計算される各地点でのオービタル波動関数（ｏｒｂｉｔａｌｗａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎ、ψ）の自乗の電子密度（ψ²）の分布を介して計算することを特徴とする請求項６に記載の分子オービタル特性分析システム。
前記第１のブロック化モジュールの量子力学計算法は、単一地点エネルギー（ｓｉｎｇｌｅｐｏｉｎｔｅｎｅｒｇｙ）計算または幾何学的最適化（ｇｅｏｍｅｔｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）計算を利用することを特徴とする請求項６に記載の分子オービタル特性分析システム。
前記第１のブロック化モジュールのブロック化方法としてＲＤＭ計算方法を利用することを特徴とする請求項６に記載の分子オービタル特性分析システム。
前記データ入力モジュールに入力されるそれぞれのブロックに関連した分子オービタル割合（ＢＸ（ｋ））は、前記それぞれのブロックに関連した分子オービタル（ＢＭＯ（ｋ））を計算し、これにより、全体分子オービタル合計であるＳＵＭを計算した後、全体分子オービタル合計に対するそれぞれのブロックに関連した分子オービタルの割合（ＢＸ（ｋ））を計算することにより求めることを特徴とする請求項６に記載の分子オービタル特性分析システム。